JP4022401B2 - Ｉｃチップおよびｉｃカード - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、半導体集積回路（以下「ＩＣ」という）を内蔵したカードに係り、特に外部の装置との間での、接点を介して電力の供給を受けながら信号を授受する接触結合と、アンテナを介して電力の供給を受けながら信号を授受する非接触結合のいずれも可能なＩＣカードに関する。
背景技術
よく知られているように、接触型ＩＣカードは、接点を介して外部の装置、例えばデータ書込み読取り装置（以下「リーダライタ」という）と結合し、接点経由で電力の供給を受けながらリーダライタとの間で信号の授受を行なう。一方、非接触型ＩＣカードは、アンテナを介してリーダライタと非接触状態で結合し、アンテナ経由で電力の供給を受けながらリーダライタとの間で信号の授受を行なう。
近年、一枚のカードで上記接触と非接触のいずれでも動作が可能なものが複合型のＩＣカードとして考案され、開発されつつある（例えば特表平１０−５０５９３２号公報参照）。複合ＩＣカードは、ユーザにとって便利であり、利用範囲が広がりつつある。
第４図に従来の複合ＩＣカードの内部回路１２の構成を示す。内部回路１２が集積化されてＩＣチップになる。電源と信号が、非接触結合動作の場合はコイル状のアンテナ１経由で供給され、接触結合動作の場合は接点２経由で供給される。情報処理回路３への送受信信号として、アンテナ１経由又は接点２経由のいずれかの信号が信号切替回路４によって選択される。選択は、例えば、この従来例では、電圧検出回路１１が接点２の端子Ｖｄｄに電源が供給されたことを検出することによって行なわれ、検出の結果、接点２経由の信号が選択される。
なお、通常、情報処理回路３は、処理部とメモリを有し、リーダライタからの指示に従ってメモリの内容を読み出して送信信号としたり、リーダライタからの受信信号でメモリ内容を書換える等の動作を行なう。
非接触動作の場合の電源は、アンテナ１で受信した高周波信号を整流回路５によって整流してから容量Ｃによって平滑化し、その電圧を直列型定電圧回路６により所定の電圧にすることによって得られる。一方、接点２からの電源は、端子Ｖｄｄを通して直接リーダライタから得られる。
発明の開示
接点２からの電源及び信号は、接触型のＩＣカードの国際標準規格であるＩＳＯ７８１６で定められており、電源電圧Ｖｄｄが４．５Ｖ〜５．５Ｖと２．７Ｖ〜３．３Ｖの二種が規定され、信号の高い方のレベル（“Ｈ”レベル）の最小値が０．７Ｖｄｄと規定されている。情報処理回路３等からなるＩＣチップの内部回路１２は、この電圧で動作するように設計される。
一方、アンテナ１からの電源及び信号は、リーダライタから非接触で供給されるものであり、その供給電力が制限される。そのため、回路は出来るだけ低電圧でかつ低消費電力で動作することが要求される。非接触専用のＩＣカードの場合には、２Ｖ程度の電源電圧で動作する回路が開発されつつある。
しかし、従来の複合ＩＣカードの内部回路１２は、非接触動作の場合には低電圧で動作し、接触動作の場合には、それよりも高い電圧、例えば５．５Ｖで動作するよう設計されていた。そのために、内部回路１２は、低電圧で動作可能であるにも拘らず、低消費電力化が妨げられ、かつ、回路素子も接点２の端子から与えられる電圧に耐えるよう高耐圧が要求されていた。耐圧の高いトランジスタを用いたＩＣは、製造に複雑な工程が必要になり、コスト高になることが避けられない。
本発明の目的は、低消費電力で製造コストの低いＩＣカードを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明のＩＣカードは、内部回路の電源電圧及び信号のレベルに関する接点経由の場合の動作条件がアンテナ経由の場合の動作条件の範囲内にあることを特徴としている。
これによって、内部回路は、アンテナ経由と接点経由とで、同じ低い電源電圧と信号レベルで動作することが可能になり、消費電力が低減される。また、回路素子の耐圧を非接触型で採用されていた低い耐圧とすることが可能となり、製造が容易な低コストのＩＣカードを実現することができる。
上記の動作条件の設定は、例えば、接点経由の電源電圧を低下させるように接点経由で供給される電源の電圧を変換する電源電圧変換手段と、接点からの信号のレベルを低下させかつ接点への信号のレベルを高くするように、接点における信号のレベルを内部回路における信号のレベルに変換する信号レベル変換手段とをＩＣチップに備えることによって達成することができる。
更に、電源電圧を制限する電圧制限手段を内部回路に備え、電源電圧変換手段の出力電圧をこの電圧制限手段の制限電圧よりも低く設定することによって好ましい結果を得ることができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明に係るＩＣカードを図面を用いた実施例を参照して更に詳細に説明する。なお、第１図〜第４図における同一の記号は、同一物又は類似物を表示するものとする。
（実施例１）
第１図において、９は、接点２の電源端子Ｖｄｄからの電圧を低下させる電源電圧変換回路、１０は、接点２の端子Ｃｌｏｃｋ，Ｒｅｓｅｔ及びＩｎからの信号のレベルを低下させて信号切替回路４に供給し、かつ、信号切替回路４からの信号のレベルを高くして接点２の端子Ｏｕｔに出力するレベル変換回路、７は、非接触動作の場合の電源電圧を制限する電圧制限回路を示す。なお、接点２の端子Ｖｓｓは接地される。
本実施例では、電源電圧変換回路９が電源電圧変換手段となるものであり、電源電圧変換回路９として一般的な直列型定電圧回路を用いた。直列型定電圧回路は、典型的には、ＭＯＳトランジスタのソース、ドレイン間の電圧をゲートに与えた制御電圧によって設定するものであり、ソース、ドレイン間の電圧分だけ電圧Ｖｄｄが低くなる。なお、電源電圧変換回路９は、この直列型定電圧回路に制限されるものではなく、内部回路１２の消費電流の変化が少ない場合には、例えば、抵抗で構成することが可能である。抵抗による電圧降下を電圧変換に用いることができる。
また、本実施例では、レベル変換回路１０が信号レベル変換手段となるものであり、レベル変換回路１０として、オン時のＭＯＳトランジスタのソース、ドレイン間の電圧差を用いて信号のレベル変換を行なう、一般的なＣＭＯＳスイッチによる回路を用いた。なお、レベル変換回路１０は、このスイッチ回路に限るものではなく、例えば増幅器を用い、その利得を所定のレベル変換が行なわれるように設定してもよい。
更に、情報処理回路３の処理部にマイクロセッサを用いたが、処理部は、その他、専用の論理回路で構成することが可能である。
次に、非接触動作の場合、ＩＣカードとリーダライタとの間の距離は、ＩＣカードの使われ方によって様々であり、その距離によってアンテナ１に到来するリーダライタからの電波の強度が変化する。それによってアンテナ１経由で得る電源の電圧が変化する。内部回路１２に設けた電圧制限回路７は、電圧制限手段となるものであり、耐圧を越えた電圧が回路素子に印加されないように電源電圧を制限するものである（例えば、簡単な場合はツエナーダイオード）。
電圧制限回路７は、制限する電圧まではインピーダンスが高く、電圧が制限電圧に達するとインピーダンスが低くなって電流が流れ、それ以上電圧が高くならないように動作する。従って、電源電圧変換回路９の出力電圧が制限電圧よりも高く設定されていると、電源電圧変換回路９の構成によっては同回路から電圧制限回路７に大きな電流が流れる場合があり、電圧制限回路７又は電源電圧変換回路９のいずれか又は両方が破損することが起こり得る。本実施例では、そのような不都合を回避するため、電源電圧変換回路９の出力電圧を電圧制限回路７の制限電圧よりも低く設定した。
以上の内部回路１２と電源電圧変換回路９とレベル変換回路１０とが集積化されて１個のＩＣチップとなる。なお、電源電圧変換回路９とレベル変換回路１０は回路規模が小さく、ＩＣチップ上に占める面積割合は全体に対して僅かである。また、使用するトランジスタは、電源電圧変換回路９とレベル変換回路１０の一部が従来と同じ高耐圧のものになるのみで、ＩＣチップの大部分は、低耐圧で占有面積が小さいものになる。従って、ＩＣチップの面積を従来よりも小さくすることができた。
このＩＣチップ及びコイル状のアンテナ１とがカード基材の中に埋め込まれ、接点２がカード基材裏面に設置されて複合ＩＣカードが構成される。
第２図にカード基材の表面層をはずしたＩＣカードの平面を示す。第２図において、２０はＩＣチップ、３０は表面層をはずしたＩＣカードであり、ＩＣチップ２０は、接点２の各端子とワイヤボンディングによって接続される。
本実施例の複合ＩＣカードの動作について、まず、アンテナ１経由で動作する場合を述べる。この場合は、アンテナ１を通じて端子ＬＡ，ＬＢから電力とクロック信号とデータとが受信されると共に、データがその逆方向にアンテナ１から送出され、交信が行なわれる。
即ち、アンテナ１で受信された高周波信号は、整流回路５により整流され、容量Ｃによて平滑化されて電源電圧となる。この電源電圧は、電圧制限回路７により、回路の耐圧で定められる一定電圧以下に制限され、内部回路１２の電源として供給される。
一方、アンテナ１に接続している通信制御回路８は、アンテナ１からの高周波信号を復調してクロック信号及びデータを抽出すると共に、リセット信号を生成する。更に、通信制御回路８は、ＩＣチップの内部回路１２で生成する送出データでアンテナ１からの高周波信号の無変調部分を変調し、これによって送出データをアンテナ１を通してリーダライタに返送する。
通信制御回路８で得られたクロック信号、復調データ及びリセット信号は、信号切替回路４を通して情報処理回路３に入力される。情報処理回路３では、復調データのメモリへの格納、応答用のデータ送出等を定められた手順で行う。応答用の送信データは、信号切替回路４を通して通信制御回路８に送られ、更に、上記したようにアンテナ１を通してリーダライタに返送される。
次に、本実施例の複合ＩＣカードの動作について、接点経由の場合を述べる。この場合には、リーダライタと接点２の各端子を通して交信する。電源は、接点２の端子Ｖｄｄから直列型定電圧回路である電源電圧変換回路９により電圧制限回路７で制限される電圧よりも低い電圧に変換されて内部の各回路に供給される。
クロック信号、リセット信号及び受信データは、それぞれ接点２の端子Ｃｌｏｃｋ，Ｒｅｓｅｔ，Ｉｎから供給される。各端子の信号のレベルは、前記したようにＩＳＯ７８１６の規格で定められた０．７Ｖｄｄである。これらの信号は、レベル変換回路１０を通して内部回路１２の信号レベルに変換された後、信号切替回路４を通して情報処理回路３に入力される。信号切替回路４は、電圧検出回路１１の制御により、接点２の端子Ｖｄｄに電源が供給されたときに接点２経由の信号を選択するように動作する。
また、情報処理回路３で生成された応答用の送信データは、信号切替回路４を通った後、レベル変換回路１０により、ＩＳＯ７８１６の規格で定められているレベルに変換されてから、接点２の端子Ｏｕｔに送出される。
以上により、接点経由による交信の場合も、ＩＣチップの内部回路１２の各回路をアンテナコイル経由の場合と同じ低電圧で動作させることができ、回路素子の耐圧を低く設定することが可能となる。
（実施例２）
アンテナ側の電源にも直列型定電圧回路を設けた実施例を第３図に示す。本実施例では、直列型定電圧回路６によって電源電圧が安定化されるので、電圧制限回路７は不要となる。電源電圧変換回路９として実施例１の場合と同様に直列型定電圧回路を採用した。その出力電圧を直列型定電圧回路６の出力電圧の範囲とした。なお、電源電圧変換回路９と直列型定電圧回路６の出力側にそれぞれ電流逆流防止用のダイオード１３，１４を接続した。
本発明によれば、接触動作の場合も非接触動作の場合と同様に低電圧で回路を動作させることが可能となり、回路素子の耐圧を下げることが可能となるので、低消費電力で製造が容易な低コストのＩＣカードを実現することができる。
産業上の利用可能性
本発明に係るＩＣカードは、キャッシュ、アドレス、個人情報、識別などの広範囲の情報の取り扱いが可能であり、しかも前記したように低コストであるので、金融、流通、交通、医療保険などの広い分野に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明に係るＩＣカードの第１の実施例を説明するための回路図であり、第２図は、第１の実施例を説明するための複合ＩＣカードの平面図であり、第３図は、本発明の第２の実施例を説明するための回路図であり、第４図は、従来の複合ＩＣカードを説明するための回路図である。

Claims (8)

1. 電源電圧変換回路と、
   レベル変換回路と、
   電圧制限回路と、
   情報処理回路とを有し、
   前記電圧制限回路は、制限電圧まではインピーダンスが高く、前記制限電圧に達するとインピーダンスが低くなって電流が流れるツエナーダイオードからなるものであって、
   前記電源電圧変換回路は、リーダライタから端子を介し供給される第１の供給電圧を低くし、前記電圧制限回路を介して前記情報処理回路に入力するものであって、
   前記レベル変換回路は、前記リーダライタから前記端子を介し入力される信号の電圧を低くし、前記情報処理回路に入力するものであって、
   前記電圧制限回路は、前記電源電圧変換回路を介し供給される第１の供給電圧、及び、アンテナを介し供給される第２の供給電圧の電圧を制限し、前記情報処理回路に入力し、
   低くされた前記第１の供給電圧が、前記制限電圧以下であることを特徴とするＩＣチップ。
2. 請求項１に記載のＩＣチップであって、
   前記レベル変換回路は、前記情報処理装置から信号の電圧を高くし、前記端子へ入力することを特徴とするＩＣチップ。
3. 請求項１または請求項２に記載のＩＣチップであって、
   信号切替回路を更に有し、
   前記信号切替回路は、前記アンテナと前記端子からの信号のいずれか一方を選択し、前記情報処理回路へ入力することを特徴とするＩＣチップ。
4. 請求項３に記載のＩＣチップであって、
   電圧検出回路を更に有し、
   前記電圧検出回路は、前記第１及び第２の供給電圧を検知し、前記信号切替回路の前記選択を制御することを特徴とするＩＣチップ。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のＩＣチップであって、
   前記制限電圧は、前記情報処理回路の耐圧であることを特徴とするＩＣチップ。
6. 請求項１から５のいずれかに記載のＩＣチップであって、
   通信制御回路を更に有し、
   前記通信制御回路は、前記アンテナからの信号を復調し、前記情報処理回路からの信号を変調し前記アンテナから前記他のリーダライタに返送することを特徴とするＩＣチップ。
7. 請求項１から６のいずれかに記載のＩＣチップが実装されていることを特徴とするＩＣカード。
8. 請求項１に記載のＩＣチップにおいて、
   前記電源電圧変換回路は、直列型定電圧回路であることを特徴とするＩＣチップ。

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